高压电动机改变频运行后保护的配置探索

戴超超

（浙能嘉兴发电有限公司，浙江 平湖 314201）

1 高压电动机变频控制一次回路

随着节能减排的深入，各发电企业相继将高压电动机改为变频运行，图1为高压电动机改变频运行后的一次回路，电源开关使用原高压电动机开关，保护使用原开关柜配置的综合保护。在就地变频室增加旁路柜、隔离变压器和变频器柜，6 kV电源开关旁路柜输入闸刀跨接于高压隔离变压器和高压变频装置之间。进出线闸刀和旁路闸刀的作用是：一旦变频装置出现故障，先断开电源开关，后将变频装置隔离，恢复在工频电源下启动电动机运行。

电源开关综合保护装置一般配备了速断保护、过流保护、接地保护，2 000 kW及以上的电动机增设了差动保护，由于增加了隔离变压器和变频控制器等设备，给电源开关保护配置带来了新的问题，值得进一步探讨。

图1 高压电动机变频运行一次回路

2 电动机的差动保护

2.1 存在问题

GB/T 14285－2006《继电保护及安全自动装置技术规程》对电动机保护的要求：2 000 kW以下的电动机，装设电流速断保护，保护宜采用两相式。2 000 kW及以上的电动机，或虽在2 000 kW以下，但电流速断保护灵敏系数不符合要求时，可装设纵联差动保护。纵联差动保护应防止在电动机自启动过程中误动作。

目前2 000 kW及以上电动机加装变频器后，由于原配置的差动保护电流取自电动机中性点侧和电源开关侧电流互感器，当变频运行时，两处的电流互感器分别运行于工频和变频状态，将出现以下新问题：

（1）高压电动机变频运行后，电流互感器更容易饱和。根据电磁式互感器的工作原理，在电压一定的情况下，频率和磁通成反比关系。频率越低，互感器通过的磁通越大。因此，在低频情况下，传统的工频互感器极容易发生饱和。大量的试验、电磁暂态（EMTP）仿真以及来自发电厂的实际应用都印证了这个结论。

（2）相量差动保护一般是用离散傅里叶算法（DFT），根据1个周波的采样值计算出电流的实部、虚部，再进一步计算出所需要的量，如电流有效值、差动电流和制动电流的幅值、相位，然后用这些计算量构成保护动作判据。当频率偏离工频时，DEF将产生误差，其误差随频率偏离工频的程度而迅速增大。当频率低于40 Hz时，DFT计算误差将达到25%以上，远远超过允许值。

2.2 改进方案

由于电动机在5～60 Hz频率下运行时，通过DFT计算出的电流值误差非常大，无法满足保护要求。为此，在电动机变频运行时一般退出差动保护。此项工作由检修人员来完成，如果电动机变频运行时差动保护没有退出，电动机启动时保护可能误动。

为了减少操作的繁琐，可在保留综合保护的前提下，另外加装变频电动机差动保护（见图2），增设新电流互感器2LH和新差动保护装置，原有的电动机差动保护可取消，原差动保护的1LH与3LH新引入差动保护，可根据运行状态引入旁路闸刀辅助接点自动切换构成差动保护的电流通道，实现最大范围的差动保护。需要进行变频后差动保护装置和电流互感器特性的研究，才能使新差动保护满足运行要求。

由于变频器到电动机距离比较短，而且变频器配置了比较齐全的保护，可保护变频器至电动机短电缆和电动机发生的各类故障。电源开关保护配置主要是考虑保护电源开关至变频器电缆以及隔离变压器的安全，因此可不装设新的差动保护，在隔离变压器后安装2LH，工频运行时采用原差动保护电流通道1LH与3LH，当变频运行时差动保护电流通道1LH与2LH，根据运行状态引入旁路闸刀辅助接点自动切换构成差动保护的电流通道，改进的差动保护接线见图3。

图2 新差动保护接线

图3 改进的差动保护接线

3 电源开关速断保护的整定

当电动机在变频运行方式时，由于变频器带1台隔离变压器，速断保护应根据变压器保护整定，按躲过隔离变压器二次侧三相短路最大短路电流整定或按躲过变压器空载合闸涌流整定，取两者较大值，并按进线隔离变压器一次侧两相短路有2倍灵敏检验。

当电动机在工频运行方式时，最大启动电流Iop.h的计算如式（1）所示：

式中：Krel为可靠系统，取1.5；Kst为电动机启动电流倍数，在6～8之间；Im.n为电动机额定电流二次值；IMN为电动机一次额定电流；nTA为电流互感器变比。

如果按变频器运行实测值整定，速断保护定值较大，牺牲了保护的灵敏度。表1为凝泵启动录波试验数据，从录波的数据可判断隔离变压器空载合闸涌流第29与30点A相电流为5 508 A，达到额定电流的23倍，波形严重偏轴，这主要因为电源开关合闸时，变频器隔离变压器空载所致，但隔离变压器空载合闸涌流持续时间比较短。为了保护的灵敏度，在工频运行方式时电动机整定值不变，动作出口时间加上40 ms就可躲过空载合闸电流，通过现场的试验已得到验证。

表1 凝泵启动参数值

由于为了躲过空载合闸电流，速断保护动作出口时间加上40 ms，牺牲保护的快速性，为此也可在速断保护加入谐波闭锁逻辑，谐波采集需要1个周波（20 ms）时间，加上经过CPU的计算时间，动作时间至少要30 ms。由于谐波闭锁保护回路较复杂，而且速断保护动作缩短的时间并不多，综合考虑后并没有增加谐波闭锁保护回路。

4 结语

通过以上分析可见，较好解决电动机差动保护的方法是在隔离变压器后增加1组电流互感器，可保证差动保护动作的正确性，而对速断保护可适当增加延时，确保速断保护不发生误动。通过采取这些措施，进一步完善了电动机保护，而且最大程度上提高了保护灵敏度和利用率。

[1]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京:中国电力出版社，2006.

[2]GB/T 14285－2006继电保护及安全自动装置技术规程[S].北京:中国电力出版社，2006.